Перевезенцева Т. В., Злепко В. Ф.
Центробежнолитые трубы (ЦБЛ) больших диаметров типоразмера 630/580, 630/574 мм и диаметром 920/856 мм из стали 15Х1М1Ф нашли широкое применение в энергетике при сооружении паропроводов горячего промперегрева (ГПП) энергоблоков мощностью 250 - 800 МВт. В настоящее время они эксплуатируются на Рязанской, Сургутской, Березовской, Пермской, Нерюнгринской и других электростанциях. Трубы изготавливаются Ижевским заводом бумагоделательных машин (ПО “Буммаш”). Экономический эффект от применения таких труб очевиден, поскольку замена четырехниточной системы транспортировки пара на двухниточную значительно сокращает монтажные и эксплуатационные расходы электростанций.
При соблюдении всех необходимых параметров технологического цикла производства ЦБЛ трубы обладают хорошим комплексом свойств и не уступают по своим служебным характеристикам трубам, изготовленным из той же марки стали, но по традиционным технологиям. Парковый ресурс для металла ЦБЛ труб при параметрах пара, соответствующих температуре 545°С и давлении 4 МПа, составляет 100 тыс. ч, а при давлении 2,5 МПа - 150 тыс. ч. Следует отметить, что до настоящего времени в отечественной практике разрушения ЦБЛ труб из-за исчерпания паркового ресурса или по иным причинам не наблюдалось.
Детальное исследование процесса формирования структуры при центробежном способе изготовления указывает на возможность возникновения в структуре труб различных видов ликвации. На основании исследований ВТИ по изучению структурного состояния более 20 ЦБЛ труб в характерных сечениях отмечается, что наиболее распространенным вариантом структурной неоднородности центробежного литья является ликвационная полосчатость. Это сложный вид ликвации, характеризующийся присутствием межкристаллитной (междендритной) ликвации, которая располагается не равномерно по сечению трубы, а концентрируется в поперечные ликвационные зоны, имеющие вид полос.
Рис. 1. Микроструктура металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф с ликвационной полосчатостью:
а - в ликвационных зонах (х 100); б - в поперечном сечении стенок труб (х 20); в - в зонах с нормальным структурным состоянием (х 100)
Ликвационные зоны, как правило, имеют одинаковый характер распространения в любых сечениях и длине труб.
В пределах ликвационных полос структура имеет специфический характер, который определяется наличием ликвационных образований, расположенных вокруг кристаллитов литой структуры в виде прослоек, образующих видимость границ “больших” зерен (рис. 1). Количество структурных зон и объемное содержание ликвационных выделений определяются особенностями кристаллизации и зависят от многих параметров. Применяемая термическая обработка, в режим которой наряду с нормализацией и отпуском включена дополнительная операция в виде высокотемпературной гомогенизации, направленной на ослабление ликвационных процессов, не способна до конца ослабить эффект структурной неоднородности ЦБЛ труб.
Исследованиями установлено, что ликвационные прослойки ЦБЛ труб различны по своей морфологии и составляют набор от слабовыраженных ферритокарбидных образований до фрагментированных выделений бейнитного типа с локализацией пор и микротрещин. В ВТИ с целью качественной оценки развития ликвационных процессов создана “Шкала ликвационных микроструктур металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф” [1]. Шкала состоит из пяти баллов. С увеличением балла (со II по V) возрастает уровень фрагментированности ликвационных прослоек с изменением характера их распространения по междендритным границам, а также степени и типа поврежденности технологическими дефектами. Показано, что наихудшее состояние структуры для ЦБЛ труб с ликвационной полосчатостью любого из баллов имеет место вблизи внутренней поверхности стенок труб. Образовавшиеся здесь ликвационные прослойки, как правило, максимально насыщены углеродом, серой, фосфором, легирующими элементами, карбидными образованиями М7С3, МбС, м2С, м23С6, а также неметаллическими включениями.
Если в металле обнаружены микродефекты усадочного происхождения, то их наибольшее объемное содержание всегда фиксируется также в этих зонах. В связи с ранее сказанным качественная оценка структурной неоднородности металла ЦБЛ труб должна проводиться при контроле структурного состояния ликвационной зоны, расположенной у внутренней поверхности трубы, так как эта зона отличается наибольшим уровнем развития ликвационных процессов по сравнению с остальными выявляемыми в ЦБЛ трубе ликвационными зонами.
На основании комплексных исследований, проводимых в ВТИ с 1970 г., установлено, что характерной особенностью металла ЦБЛ труб из стали 15Х1М1Ф с ликвацией являются:
заметный разброс механических свойств в различных структурных зонах;
наличие структурных зон с пониженным сопротивлением разрушению;
наличие внутренних концентраторов напряжений в виде дефектов типа пор и микротрещин технологического происхождения;
различная степень легированности основного твердого раствора структурных зон металла, которая проявляется в обеднении зон с нормальным структурным состоянием молибденом за счет повышенной его концентрации в ликвационных прослойках [2, 3].
В дополнение к сказанному необходимо подчеркнуть, что несмотря на то, что установлено влияние структурной неоднородности каждого из баллов на разброс механических характеристик, выявленное рассеяние кратковременных прочностных и пластических свойств при комнатной температуре практически всегда находится в пределах требований технических условий на поставку. Ударная вязкость на образцах с круглым надрезом проявляет чувствительность, снижаясь ниже допустимого уровня (0,40 МДж/м2), к ликвационной структуре V балла (иногда IV балла), при условии, если образцы вырезаны непосредственно из зоны ликвации.
Наибольшее опасение в смысле качества металла вызывают трубы с ликвационной неоднородностью V балла из-за недопустимых значений ударной вязкости, предельно низких характеристик кратковременной пластичности, высокой загрязненности неметаллическими включениями и их локализованным характером расположения на приграничных участках дендритов. Однако самым важным является присутствие в ликвационных зонах V балла разветвленной системы микротрещин, что может в эксплуатации привести к преждевременному разрушению труб.
Основными характеристиками состояния материала паропроводных труб из перлитных марок сталей являются длительная прочность и длительная пластичность. На сегодняшний день известно, что длительная прочность в значительной степени зависит от соотношения структурных составляющих, морфологии упрочняющей фазы в структуре металла и ее термической стабильности. Большинство паропроводных труб из перлитных марок сталей изготавливается штатными технологиями, связанными с процессами деформирования литых заготовок и последующей термообработкой.
Режим термообработки, включающий, как правило, нормализацию и высокий отпуск, определяет окончательные свойства получаемых труб. Формирующаяся в стали при такой обработке структура зависит от температуры нормализации и последующей скорости охлаждения. Для паропроводных труб, изготовленных с применением традиционных технологий и имеющих однородное структурное состояние, проблема определения характеристик жаропрочности металла решается с применением стандартных подходов, без привязки участков вырезки образцов к конкретным структурным зонам материала.
При изготовлении продольных стандартных образцов для проведения испытаний в большинстве случаев используются только объемы металла средней части поперечного сечения стенок труб. При подобном подходе у центробежнолитых труб с ликвационной полосчатостью наиболее ликвированный слой, расположенный у внутренней поверхности труб, будет срезаться или частично, или полностью. В результате в значениях долговечности, полученных на таких образцах, не будет учитываться нестандартность структурного состояния металла центробежнолитых труб. Вместе с тем, подобный подход может дать завышенную оценку сопротивлению разрушению.
В этой связи приобретает особую значимость изучение влияния структурных параметров на жаропрочные характеристики ЦБЛ труб из стали 15Х1М1Ф с учетом индивидуальных особенностей материала, связанных с ликвацией.
В качестве материала исследования были выбраны четыре трубы со II, III, IV и IV - V баллами ликвационных микроструктур. Для каждой из труб при проведении испытаний использовалось по две серии образцов. Образцы первой серии вырезались из объемов металла, максимально приближенных к внутренней поверхности стенок труб. Образцы второй серии - из объемов металла наружной поверхности стенок труб. Испытание образцов различных серий осуществлялось при идентичных температурно-силовых режимах.
